熟料燒成系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的開發(fā)

　　水泥工業(yè)是產(chǎn)量大、能耗高的工業(yè)。2006年中國水泥產(chǎn)量12.4億t，約消耗能源l.5億t標(biāo)煤，占全國能源消費總量的7%左右。當(dāng)然能耗高的原因，大量落后生產(chǎn)工藝的存在是關(guān)鍵。中國目前還有一半左右的水泥是由國際上業(yè)已淘汰的立窯等生產(chǎn)的，其單位能耗比新型干法要高約30～35kg標(biāo)煤/t水泥。歷史造成的結(jié)構(gòu)矛盾，需要加快調(diào)整步伐。就新型干法本身來說，我們和世界先進水平相比，單位熟料熱耗高60kcal/kg左右，單位水泥電耗高10kWh/t左右，相當(dāng)于全年多消耗420萬t標(biāo)煤和62億度電，這一數(shù)字也相當(dāng)可觀。

　　就技術(shù)裝備的差距來說，主要體現(xiàn)在粉磨和燒成兩大領(lǐng)域。粉磨領(lǐng)域發(fā)展的現(xiàn)狀和趨向是料床終粉磨代替了傳統(tǒng)的球磨，其代表是立式輥磨，從而大幅度的節(jié)電。目前世界上出現(xiàn)了不少無球磨的水泥工廠。燒成領(lǐng)域發(fā)展的現(xiàn)狀和趨向是：以無漏料新型篦冷機、二檔短窯、低N0x型分解爐和6級高效預(yù)熱器系統(tǒng)的新技術(shù)代替了原有的系統(tǒng)，達(dá)到了進一步大幅度節(jié)能、生產(chǎn)穩(wěn)定可靠、提高對原燃料適應(yīng)性的效果。天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司在這兩方面加大了研發(fā)力度，已取得了較好的成果，現(xiàn)正在加快推廣應(yīng)用的步伐，力爭為水泥工業(yè)節(jié)能減排和技術(shù)進步做出新貢獻(xiàn)。

1 國內(nèi)外技術(shù)燒成技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨向

　　1.1 國際先進技術(shù)情況

　　(1)預(yù)熱器、預(yù)分解系統(tǒng)

　　預(yù)熱器系統(tǒng)初期為4級，系統(tǒng)阻力較高，隨著技術(shù)優(yōu)化，出現(xiàn)了高效低阻預(yù)熱器，在系統(tǒng)阻力不增加或有所降低的情況下，80年代出現(xiàn)了5級預(yù)熱器，而后逐步發(fā)展為90年代的6級預(yù)熱器，還出現(xiàn)了超過6級熱交換的多級熱交換預(yù)熱器，預(yù)熱器的廢氣溫度從4級的380℃～400℃，下降至5級的320℃～340℃，6級的260℃～280℃，多級則降至260℃以下。

　　單系列與雙系列預(yù)熱器相比，操作相對簡單，筒體散熱損失有所降低，因而采用單系列的規(guī)模逐年增加，90年代初為3000t/d，目前達(dá)6000t/d。隨著預(yù)熱器系統(tǒng)降阻技術(shù)的使用合理，技術(shù)先進的窯尾預(yù)分解系統(tǒng)阻力已降至5級4500Pa、6級5200Pa以下。

　　預(yù)熱器的高度隨技術(shù)優(yōu)化而下降，雖然增加了級數(shù)，但總體高度增加不多。值得一提的是，6級預(yù)熱器雖然增加了1級預(yù)熱器的基建投資，但廢氣溫度有較大下降。在大型生產(chǎn)線，原料綜合水含量較低、燃料價格昂貴或水資源缺乏的國家和地區(qū)，已開始大量應(yīng)用。

　　技術(shù)先進的分解爐可大量燃燒低揮發(fā)份低熱值的燃料、工業(yè)廢棄物、城市生活垃圾，N0x排放值低于500mg/Nm³，占系統(tǒng)燒成燃料比例超過65%，入窯物料分解率超過92%。

　　(2)回轉(zhuǎn)窯

　　預(yù)分解窯在發(fā)展初期，均采用長度與直徑的比例L/D≥15的回轉(zhuǎn)窯來滿足熟料煅燒的熱工需求。隨著預(yù)熱器、分解爐性能的優(yōu)化，入窯物料分解率的提高，多風(fēng)道燃燒器和高效篦冷機的應(yīng)用，在確保生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)熟料的前提下，窯的長徑比L/D從常規(guī)的≥15的三檔窯縮短至10～13的二檔窯。隨著窯的產(chǎn)量提高，窯的容積產(chǎn)量從3.0t/d·m³逐步上升至6.0t/d·m³?；剞D(zhuǎn)窯筒體散熱損失從三檔窯的大于35kcal/kg下降至二檔窯的26～30kcal/kg。窯速從3r/min提高至4r/min以上，物料在窯內(nèi)停留時間從40min逐步下降至30min以下。

　　二檔窯和三檔窯相比，設(shè)備重量降低約10%左右，此外還具有運行平穩(wěn)、安裝簡單、維護方便等優(yōu)點。上世紀(jì)80年代初，第一臺L/D<11的二檔窯在歐洲投入生產(chǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)實踐的基礎(chǔ)上，90年代得以快速發(fā)展，進入21世紀(jì)，國際上新建生產(chǎn)線投入的二檔窯數(shù)量已超過三檔窯。

　　燃燒器是重要的熱工裝備，近年來，為滿足不同性能的燃料和工業(yè)廢棄物的燃燒，從90年代后期起，燃燒器設(shè)計從以往的內(nèi)風(fēng)旋流發(fā)展為內(nèi)風(fēng)、外風(fēng)雙旋流，且在風(fēng)道中間部位增設(shè)了液體或固體廢物或不同性能粉狀燃料通道，以滿足不同性能的燃料燃燒要求。新型燃燒器的一次凈空氣量為6%，送風(fēng)為2%～4%，合計一次風(fēng)量為8%～l0%。

　　(3)冷卻機

　　上世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的第三代可控氣流篦冷機，其性能雖較第二代厚層篦冷機優(yōu)良，但仍然存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，篦下需設(shè)置拉鏈機，機身占用高度高，冷卻風(fēng)量較大且篦板篦縫噴出風(fēng)速過高等問題。進一步改善通風(fēng)效率、提高熱回收率、簡化裝備結(jié)構(gòu)、提高運轉(zhuǎn)率、降低裝備高度、減少基建投資已成為冷卻機發(fā)展的方向。

　　90年代中期，國外出現(xiàn)了無漏料冷卻機，工藝性能優(yōu)良，裝備簡化，此類冷卻裝備中，近年來投入生產(chǎn)的步進式無漏料高效冷卻機性能尤為優(yōu)良，該機由若干條縱向熟料冷卻輸送通道組成，運行速度隨料層冷卻情況自動調(diào)節(jié)。通道單獨通風(fēng)，熱交換時間可以控制，確保不同粒徑熟料得以冷卻，冷卻風(fēng)量約1.6Nm³/kg熟料，熱回收率超過74%～76%，篦床有效面積負(fù)荷>45t/m³·d。同時，該篦冷機具有結(jié)構(gòu)緊湊.機內(nèi)無輸送部件，篦板不與熱熟料直接接觸，磨蝕量少，熟料輸送無阻礙，輸送效率穩(wěn)定，模塊化設(shè)計，安裝維護方便，篦下無漏料，不需設(shè)置拉鏈機，整機高度低等一系列優(yōu)點。

　　(4)熟料燒成系統(tǒng)

　　由6級或多級預(yù)熱器、低N0x分解爐系統(tǒng)、二檔短窯、高效燃燒器、步進式無漏料冷卻機組成的5000t/d熟料燒成系統(tǒng)，設(shè)計熱耗低于690kcal/kg(長期運行生產(chǎn)熱耗730kcal/kg)，電耗低于17～19kWh/t，預(yù)熱器和冷卻機廢氣熱量可烘干綜合水分8%左右的原料。

　　1.2國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

　　(1)預(yù)熱器、分解爐系統(tǒng)

　　國內(nèi)除少量引進的6000t/d以上規(guī)模生產(chǎn)線為6級預(yù)熱器外，國產(chǎn)裝備絕大部分為5級預(yù)熱器，生產(chǎn)線最大規(guī)模為6000t/d，單系列最大為3000t/d，技術(shù)先進的大型預(yù)熱器分解爐系統(tǒng)阻力為4800Pa±300Pa，廢氣溫度接近320℃，分解爐可大量煅燒低揮發(fā)無煙煤，工業(yè)廢棄物作燃料已起步，N0x排放值高于800mg/Nm³，入窯物料分解率超過90%，但生產(chǎn)平均數(shù)據(jù)較上述數(shù)據(jù)差。

　　(2)回轉(zhuǎn)窯、燃燒器

　　多年來，我國引進了10余臺二檔窯，但投入生產(chǎn)的數(shù)百臺不同規(guī)模的國產(chǎn)裝備均為L/D≥15的三檔窯，采用齒輪傳動、浮動輪帶等常規(guī)技術(shù)。生產(chǎn)情況較好時，大型窯的容積產(chǎn)量一般低于5.0t/d·m³，筒體散熱損失約35kcal/kg，窯速3.5r/min。

　　國內(nèi)的三通道、四通道燃燒器均采用內(nèi)旋流，主要使用于不同性能的煤粉燃燒，N0x的排放量難于降低。由于煤粉輸送風(fēng)量過大，一般一次風(fēng)量在15%左右或以上。

　　(3)冷卻機

　　新型干法生產(chǎn)線投入生產(chǎn)的6000t/d級及以下規(guī)格的國產(chǎn)裝備基本為第三代空氣梁冷卻機，在生產(chǎn)較為正常時，熱回收效率平均68%左右，運轉(zhuǎn)率相對較低，熟料冷卻效果較差，廢氣溫度偏高。

　　(4)燒成系統(tǒng)生產(chǎn)線

　　由5級預(yù)熱器、三檔長窯、常規(guī)的三通道或四通道燃燒器、第三代篦冷機，組成技術(shù)較為先進的2000t/d以上規(guī)模生產(chǎn)線，經(jīng)過對近20余條生產(chǎn)線現(xiàn)場標(biāo)定，預(yù)熱器系統(tǒng)實際廢氣溫度超過345℃，2000t/d以上回轉(zhuǎn)窯筒體表面散熱平均高達(dá)35.84×4.1816kJ/kg·cl，篦冷機的熱回收效率低于70%，平均生產(chǎn)熱耗約800×4.1816kJ/kg·cl，電耗>25kWh/t熟料，生料烘干后多余的廢氣一般排至大氣，少數(shù)用來發(fā)電(需增設(shè)鍋爐、汽輪機、發(fā)電機組)。

　　1.3 新型干法燒成系統(tǒng)裝備發(fā)展的方向

　　國內(nèi)外新型干法燒成系統(tǒng)裝備在未來若干年內(nèi)發(fā)展的主流是由多級熱交換預(yù)熱器，適應(yīng)煅燒各種低品位燃料、N0x等有害物排放值低的分解爐，L/D為10～12的二檔短窯，新一代無漏料新型冷卻機組成的燒成系統(tǒng)，預(yù)熱器分解爐系統(tǒng)阻力降至5500Pa以內(nèi)，同級預(yù)熱器的窯尾塔架高度將比現(xiàn)有高度降低10m，生產(chǎn)中廢氣排放量降至1.45Nm³/kg以下，入窯物料分解率提高至94%，分解爐與窯的煅燒比率提高至65：35，燃料在分解爐燃燒時間較大增加，以滿足各種熱值的工業(yè)廢棄物的燃燒?；剞D(zhuǎn)窯的容積負(fù)荷將提高至5.5～6.5t/d·m³，窯速將進一步提高，填充率提高至8%～l2%，物料在窯內(nèi)停留時間將有所下降，窯的筒體散熱量將進一步下降。冷卻機的熱效率提高至76%以上，冷卻風(fēng)量將下降至約1.6Nm³/kg。由上述裝備組成的5000t/d級燒成系統(tǒng)熱耗降至670～680kcal/kg(生產(chǎn)熱耗710～720kcal/kg)，電耗低于18kWh/t·cl。

2 天津院水泥燒成節(jié)能新技術(shù)的技術(shù)特征

　　天津院從上世紀(jì)70年代開始研究開發(fā)新型干法水泥生產(chǎn)工藝技術(shù)，經(jīng)過30多年的努力，開發(fā)出日產(chǎn)2000～10000t/d生產(chǎn)技術(shù)裝備，無論2000t/d，還是3000t/d、4000t/d、5000t/d、10000t/d均是國內(nèi)首套投產(chǎn)應(yīng)用。在此過程中技術(shù)水平不斷提高，裝備結(jié)構(gòu)性能不斷升級，經(jīng)歷了三代的技術(shù)發(fā)展：

　　第一代預(yù)分解技術(shù)：1982年設(shè)計完成了國產(chǎn)首條2000t/d新型干法工藝線及成套裝備——江西水泥廠3號窯生產(chǎn)線，被譽為中國水泥發(fā)展史上的一個“里程碑”。

　　第二代預(yù)分解技術(shù)：上世紀(jì)80年代中期天津院將所有引進技術(shù)制造的設(shè)備集中應(yīng)用于雙陽水泥廠2000 t/d生產(chǎn)線。在引進消化吸收的基礎(chǔ)上，天津院研制出一大批自主知識產(chǎn)權(quán)的裝備產(chǎn)品。從90年代至今已建成了2500t/d、3000t/d、4000t/d、5000t/d和6000t/d水泥熟料生產(chǎn)線，實現(xiàn)了中國水泥工業(yè)新型干法技術(shù)的全面發(fā)展。

　　第三代預(yù)分解技術(shù)：在總結(jié)已有的預(yù)分解系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合大部分水泥廠原、燃料的實際情況，全面提升預(yù)分解系統(tǒng)的性能，包括工藝、環(huán)保性能及設(shè)計優(yōu)化，達(dá)到在低阻低耗的前提下，降低預(yù)分解系統(tǒng)的投資費用，降低NOx、S0₂等廢氣中有害組分的排放，實現(xiàn)資源的綜合利用。[Page]

      新一代燒成節(jié)能新技術(shù)

　　當(dāng)前天津院正在研究開發(fā)的燒成節(jié)能新技術(shù)是總結(jié)前三代技術(shù)的基礎(chǔ)開展的，其技術(shù)與經(jīng)濟指標(biāo)如下：

　　開發(fā)以5000t/d級規(guī)模為代表的新型低熱耗低排放的6級預(yù)分解系統(tǒng)、二檔短窯、步進式無漏料新型冷卻機、高效燃燒器組成的燒成系統(tǒng)生產(chǎn)線，整體滿足焚燒處理廢棄物的要求，留有處置廢棄物的接口。系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)為：

　　a.熟料熱耗2885kJ/kg(690kcal/kg)

　　b.系統(tǒng)年生產(chǎn)平均熱耗3050kJ/kg(730kcal/kg)

　　c. 熱耗比目前同規(guī)模生產(chǎn)線節(jié)省250kJ/kg60kcal/kg)

　　d.熟料電耗≤l8kWh/t

　　e.NOx排放值≤500mg/Nm3，也可實現(xiàn)≤200mg/Nm³的目標(biāo)。

　　f.熟料強度≥60MPa。

　　上述指標(biāo)的實現(xiàn)將使天津院的預(yù)分解系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)和環(huán)保指標(biāo)得到全面的大幅提升。而目前已完成的工作情況如下：

　　(1) 新一代6級預(yù)分解系統(tǒng)已完成設(shè)備工藝開發(fā)，天津院已把之用于國外工程中。

　?、?分解爐

　　采用高效環(huán)保型，它是在對原燃料特性研究、機理分析、冷態(tài)模擬試驗、CFD研究、現(xiàn)場測試等基礎(chǔ)上開發(fā)完成的TTF型式的分解爐，具有三噴騰和碰頂效應(yīng)、TTF爐固氣停留時間比(m/g=4.8)大，上下料點合理分料，可以實現(xiàn)分解爐主燃燒區(qū)中部局部溫度可達(dá)1300℃，可大幅提高煤粉燃燒效果，高溫區(qū)間設(shè)計1.5s，可保證劣質(zhì)煤及無煙煤的充分燃燒;雙通道對稱四點噴入喂煤，優(yōu)化分解爐溫度場;開發(fā)了燃料分級、分風(fēng)分級分解爐組織燃燒技術(shù)減低N0x排放。確保系統(tǒng)N0x指標(biāo)小于500mg/Nm³。必要時投入研發(fā)的SNCR技術(shù)在廢氣中噴氨水進一步降低N0x排放。

　?、?級預(yù)熱器

　　a.天津院開發(fā)的6級預(yù)熱器系統(tǒng)，出預(yù)熱器廢氣溫度可降低至280℃左右，按5級預(yù)熱器系統(tǒng)較好的出預(yù)熱器廢氣溫度315℃考慮.可降低35℃左右，氣體量按1.43Nm³/kg·cl考慮，則每公斤熟料降低能耗72kJ/kg·cl。

　　b.燒成窯尾系統(tǒng)采用6級預(yù)熱器后，出預(yù)熱器系統(tǒng)的廢氣溫度已大幅度降低，可以結(jié)合采用管道噴水和無增濕塔技術(shù)。假如采用6級預(yù)熱器，由于廢氣溫度被降至280℃左右，噴水降溫只需100%左右即可滿足廢氣直接入袋收塵器的要求，比較容易實現(xiàn)。

　　c.6級預(yù)分解系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計中，充分考慮1級預(yù)熱器著重強調(diào)其收塵效率，采用高效型旋風(fēng)筒的設(shè)計思路，2～6級預(yù)熱器的設(shè)計思路在現(xiàn)有天津院預(yù)熱器結(jié)構(gòu)型式基礎(chǔ)上，適當(dāng)進行包括旋風(fēng)筒高度尤其是柱體高度等的優(yōu)化，力爭使6級預(yù)熱器的窯尾框架高度比目前5級預(yù)熱器的窯尾框架高度不產(chǎn)生較大的增加。

　　由上述分析可知：采用6級預(yù)熱器系統(tǒng)比5級系統(tǒng)每公斤熟料降低能耗72kJ/kg·cl，并可以節(jié)省水消耗，系統(tǒng)投資略有增加，但3.3年即可回收投資，從節(jié)能降耗的長遠(yuǎn)利益考慮。采用6級預(yù)熱器系統(tǒng)是可行經(jīng)濟的方案。

　　(2)二檔窯

　　天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司目前已開發(fā)了日產(chǎn)3000噸級及日產(chǎn)5000噸級生產(chǎn)線配套的二檔窯，規(guī)格分別為Φ4.2m×50m和Φ5.0m×60m。在開發(fā)中解決的關(guān)鍵問題：

　?、俣n窯比三檔窯減少了一個支承，由此引起的筒體受力變化并制定了合理的解決方法。

　?、谶m宜的二檔窯支承裝置是本設(shè)備設(shè)計的一個核心技術(shù)。我們研制自位托輪支承裝置，當(dāng)筒體彎曲時，自位托輪支承裝置能夠隨輪帶位置的變化而進行自位調(diào)整，保證輪帶與托輪的良好接觸，確?；剞D(zhuǎn)窯的長期、穩(wěn)定、安全運行。

　　天津院開發(fā)的二檔窯的顯著優(yōu)點：

　?、俟?jié)能：二檔窯每噸熟料降低熱耗0.5kg標(biāo)準(zhǔn)煤以上。

　?、诮档屯顿Y：可減輕設(shè)備的重量10%，混凝土用量可減少15%。鋼走道的長度可減少30%，并減少占地面積，減少了工程造價。

　　③降低設(shè)備運行費用：由于窯徑適當(dāng)擴大，單位截面上熱負(fù)荷降低，窯內(nèi)襯料消耗少；因采用二擋支承，機械受力由靜不定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為簡支梁結(jié)構(gòu)，避免了因窯墩沉降引起的設(shè)備故障，降低設(shè)備的維護費用。

　?、芷渌矫娴膬?yōu)點：因采用二擋支承，安裝時找正容易，安裝簡化：由于窯徑適當(dāng)擴大，窯內(nèi)物料熱交換效果好，對原、燃料的適應(yīng)性強

　　(3)行進式穩(wěn)流冷卻機

　　冷卻機是水泥生產(chǎn)線熟料燒成系統(tǒng)配套的主機設(shè)備，天津院有限公司新一代篦冷機的主要性能與第三代相比，結(jié)構(gòu)更簡捷、新穎，篦板壽命更長，安裝更為方便，它結(jié)構(gòu)簡捷、合理、可動部件少，設(shè)備的維護成本低以及磨損程度低。突出特點是主體無漏料、模塊化設(shè)計、步進式傳動、熟料槽保護篦板、磨損部件少且價格低、熟料均勻分布、模塊密封等，主體體現(xiàn)高效、節(jié)能特點。

　　目前已經(jīng)完成了篦板、流量閥的試驗研究和裝備開發(fā)工藝資料，已全面開展了裝備設(shè)計工作，預(yù)計今年年底完成第一臺無漏料步進式冷氣機的制造及應(yīng)用。

3 燒成系統(tǒng)節(jié)能新技術(shù)的效益分析

　　3.1 熱耗

　　采用本燒成系統(tǒng)節(jié)能新技術(shù)每公斤熟料降低熱耗為60kcal計算，1條5000t/d級水泥熟料生產(chǎn)線，年產(chǎn)熟料l55萬t計算，則年節(jié)約1.33萬t標(biāo)煤。由于各地煤價不一，現(xiàn)按每噸標(biāo)煤制成煤粉500～600元/噸計算，年節(jié)約燃料約660～800萬元。

　　3.2 產(chǎn)能

　　二檔短窯和步進式無漏料新型冷卻機的運轉(zhuǎn)率較三檔長窯和可控氣流篦冷機相比，運轉(zhuǎn)率稍高，在現(xiàn)有燒成裝備平均運轉(zhuǎn)率提高2%以上的基礎(chǔ)上，1條5000t/d生產(chǎn)線年多產(chǎn)熟料3.5萬t。

　　3.3 C02排放

　　1條5000t/d生產(chǎn)線。每年減少C02排放量3.75萬噸。

　　3.4 總效益

　　我國水泥產(chǎn)量近期計劃12.5億t，有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)部門認(rèn)為遠(yuǎn)期可能達(dá)到15億t，項目完成后，可將成果對已投產(chǎn)的預(yù)分解窯生產(chǎn)線進行改造，也可用于新線建設(shè)，其中改造項目估計為6.5億t熟料，改造后年將減少560萬t標(biāo)煤的消耗，新建項目的產(chǎn)能4.75億t，年可減少410萬t標(biāo)煤。二項合計年減少870萬t標(biāo)煤，年C0₂減排2155萬t。